Hoe wetenschappers naar buitenaards leven zoeken

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Misschien zijn er ergens in het heelal nog andere bewoonde werelden. Maar totdat we ze vonden, is het minimale programma om te bewijzen dat het leven buiten de aarde op zijn minst in een of andere vorm bestaat. Hoe dicht zijn we daarbij?

De laatste tijd horen we steeds vaker over ontdekkingen die "kunnen wijzen" op het bestaan van buitenaards leven. Pas in september 2020 werd bekend over de ontdekking van fosfinegas op Venus - een potentieel teken van microbieel leven - en zoutmeren op Mars, waar ook microben zouden kunnen bestaan.

Maar in de afgelopen 150 jaar hebben ruimteverkenners meer dan eens aan wishful thinking gedaan. Er is nog geen betrouwbaar antwoord op de hoofdvraag. Of toch, maar wetenschappers zijn uit gewoonte voorzichtig?

Telescooplijnen

In de jaren 1870 zag de Italiaanse astronoom Giovanni Schiaparelli door een telescoop lange, dunne lijnen op het oppervlak van Mars en noemde ze 'kanalen'. Hij noemde het boek over zijn ontdekking ondubbelzinnig "Leven op de planeet Mars". "Het is moeilijk om op Mars geen foto's te zien die lijken op die van ons aardse landschap", schreef hij.

In het Italiaans betekende het woord Canali zowel natuurlijke als kunstmatige kanalen (de wetenschapper zelf was niet zeker van hun aard), maar toen het werd vertaald, verloor het deze dubbelzinnigheid. Schiaparelli's volgelingen hebben al duidelijk gezegd over de harde beschaving van Mars, die in een droog klimaat kolossale irrigatiefaciliteiten creëerde.

Lenin, die in 1908 het boek van Percival Lowell "Mars and Its Canals" las, schreef: "Wetenschappelijk werk. Bewijst dat Mars bewoond is, dat de kanalen een technologisch wonder zijn, dat mensen daar 2/3 keer groter zouden moeten zijn dan de lokale bevolking, bovendien met stammen, en bedekt met veren of dierenhuiden, met vier of zes poten.

N … ja, onze auteur heeft ons bedrogen door de schoonheden van Mars onvolledig te beschrijven, zou volgens het recept moeten zijn: "De duisternis van lage waarheden is ons dierbaarder dan we bedrog opwekken". Lowell was een miljonair en voormalig diplomaat. Hij was dol op astronomie en gebruikte zijn eigen geld om een van de meest geavanceerde observatoria in Amerika te bouwen. Het was dankzij Lowell dat het onderwerp van het leven op Mars de voorpagina's van de grootste kranten ter wereld bereikte.

Het is waar dat al aan het einde van de 19e eeuw veel onderzoekers twijfelden over de opening van de "grachten". Waarnemingen gaven voortdurend verschillende resultaten - de kaarten liepen uiteen, zelfs voor Schiaparelli en Loeull. In 1907 bewees bioloog Alfred Wallace dat de temperatuur op het oppervlak van Mars veel lager is dan Lowell aannam, en dat de atmosferische druk te laag is om water in vloeibare vorm te laten bestaan.

Het interplanetaire station "Mariner-9", dat in de jaren zeventig vanuit de ruimte foto's van de planeet maakte, maakte een einde aan de geschiedenis van de kanalen: de "grachten" bleken een optische illusie.

Sinds de tweede helft van de 20e eeuw is de hoop op het vinden van een goed georganiseerd leven afgenomen. Studies met ruimtevaartuigen hebben aangetoond dat de omstandigheden op de nabijgelegen planeten niet eens in de buurt komen van die op aarde: te sterke temperatuurdalingen, een atmosfeer zonder tekenen van zuurstof, harde wind en enorme druk.

Aan de andere kant heeft de studie van de ontwikkeling van het leven op aarde de interesse gewekt voor het zoeken naar soortgelijke processen in de ruimte. We weten immers nog steeds niet hoe en dankzij wat in principe het leven is ontstaan.

In de afgelopen jaren hebben veel gebeurtenissen in deze richting plaatsgevonden. De belangrijkste interesse is de zoektocht naar water, organische verbindingen waaruit eiwitlevensvormen zouden kunnen ontstaan, evenals biosignaturen (stoffen die door levende wezens worden geproduceerd) en mogelijke sporen van bacteriën in meteorieten.

Vloeistofbestendig

De aanwezigheid van water is een voorwaarde voor het bestaan van het leven zoals wij dat kennen. Water werkt als oplosmiddel en katalysator voor bepaalde soorten eiwitten. Het is ook een ideaal medium voor chemische reacties en transport van voedingsstoffen. Bovendien absorbeert water infraroodstraling, zodat het warmte kan vasthouden - dit is belangrijk voor koude hemellichamen die zich vrij ver van het licht bevinden.

Observationele gegevens tonen aan dat water in vaste, vloeibare of gasvormige toestand bestaat aan de polen van Mercurius, in meteorieten en kometen, evenals op Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus. Wetenschappers hebben ook gesuggereerd dat de manen Europa, Ganymedes en Callisto van Jupiter enorme ondergrondse oceanen van vloeibaar water hebben. Ze vonden het in een of andere vorm in interstellair gas en zelfs op ongelooflijke plaatsen zoals de fotosfeer van sterren.

Maar de studie van sporen van water kan voor astrobiologen (specialisten in buitenaardse biologie) alleen veelbelovend zijn als er andere geschikte omstandigheden zijn. Zo zijn temperaturen, druk en chemische samenstelling op dezelfde Saturnus en Jupiter te extreem en te veranderlijk voor levende organismen om zich eraan aan te passen.

Een ander ding zijn de planeten dicht bij ons. Zelfs als ze er vandaag onherbergzaam uitzien, kunnen er kleine oases met "overblijfselen van vroegere luxe" op blijven.

In 2002 ontdekte de Mars Odyssey-orbiter afzettingen van waterijs onder het oppervlak van Mars. Zes jaar later bevestigde de Phoenix-sonde de resultaten van zijn voorganger, waarbij vloeibaar water werd verkregen uit een ijsmonster van de paal.

Dit kwam overeen met de theorie dat er vrij recent (naar astronomische maatstaven) vloeibaar water op Mars aanwezig was. Volgens sommige bronnen regende het op de Rode Planeet "slechts" 3,5 miljard jaar geleden, volgens anderen - zelfs 1,25 miljoen jaar geleden.

Er ontstond echter onmiddellijk een obstakel: water op het oppervlak van Mars kan niet in vloeibare toestand bestaan. Bij lage atmosferische druk begint het onmiddellijk te koken en te verdampen - of bevriest. Daarom bevindt het meeste bekende water op het oppervlak van de planeet zich in de staat van ijs. Er was hoop dat het meest interessante zich onder de oppervlakte afspeelde. Zo ontstond de hypothese van zoutmeren onder Mars. En onlangs kreeg ze de bevestiging.

Wetenschappers van de Italiaanse ruimtevaartorganisatie hebben op een van de polen van Mars een systeem ontdekt van vier meren met vloeibaar water, die zich op een diepte van meer dan 1,5 kilometer bevinden. De ontdekking is gedaan met behulp van radiogeluidsgegevens: het apparaat stuurt radiogolven naar het binnenste van de planeet en wetenschappers bepalen door hun reflectie de samenstelling en structuur ervan.

Het bestaan van een heel systeem van meren, volgens de auteurs van het werk, suggereert dat dit een gewoon fenomeen is voor Mars.

De exacte specifieke concentratie van zouten in de meren van Mars is nog onbekend, evenals hun samenstelling. Volgens de wetenschappelijk directeur van het Mars-programma, Roberto Orosei, hebben we het over zeer sterke oplossingen met "tientallen procenten" zout.

Er zijn halofiele microben op aarde die dol zijn op een hoog zoutgehalte, legt microbioloog Elizaveta Bonch-Osmolovskaya uit. Ze geven stoffen af die helpen de water-elektrische balans te behouden en celstructuren te beschermen. Maar zelfs in extreem zoute ondergrondse meren (brins) met een concentratie tot 30% komen dergelijke microben weinig voor.

Volgens Orosei kunnen sporen van levensvormen die bestonden toen er warmere klimaten en water op het oppervlak van de planeet waren, en de omstandigheden leken op de vroege aarde, in de meren van Mars achterblijven.

Maar er is nog een ander obstakel: de samenstelling van het water zelf. De bodem van Mars is rijk aan perchloraten - zouten van perchloorzuur. Perchloraatoplossingen bevriezen bij aanzienlijk lagere temperaturen dan gewoon of zelfs zeewater. Maar het probleem is dat perchloraten actieve oxidanten zijn. Ze bevorderen de afbraak van organische moleculen, wat betekent dat ze schadelijk zijn voor microben.

Misschien onderschatten we het vermogen van het leven om zich aan te passen aan de zwaarste omstandigheden. Maar om dit te bewijzen, moet je minstens één levende cel vinden.

"Bricks" zonder te vuren

De levensvormen die op aarde leven kunnen niet worden voorgesteld zonder complexe organische moleculen die koolstof bevatten. Elk koolstofatoom kan tot vier bindingen met andere atomen tegelijk maken, wat resulteert in een enorme rijkdom aan verbindingen. Het koolstof "skelet" is aanwezig in de basis van alle organische stoffen - inclusief eiwitten, polysachariden en nucleïnezuren, die worden beschouwd als de belangrijkste "bouwstenen" van het leven.

De panspermia-hypothese beweert alleen dat het leven in zijn eenvoudigste vormen vanuit de ruimte naar de aarde is gekomen. Ergens in de interstellaire ruimte ontwikkelden zich omstandigheden die het mogelijk maakten om complexe moleculen samen te stellen.

Misschien niet in de vorm van een cel, maar in de vorm van een soort protogenoom - nucleotiden die zich op de eenvoudigste manier kunnen voortplanten en de informatie coderen die nodig is voor het overleven van een molecuul.

Voor het eerst verschenen de gronden voor dergelijke conclusies 50 jaar geleden. Moleculen van uracil en xanthine werden gevonden in de Marchison-meteoriet, die in 1969 in Australië viel. Dit zijn stikstofbasen die nucleotiden kunnen vormen, waaruit al nucleïnezuurpolymeren - DNA en RNA - zijn samengesteld.

De taak van wetenschappers was om vast te stellen of deze bevindingen een gevolg zijn van vervuiling op aarde, na de val, of een buitenaardse oorsprong hebben. En in 2008 was het met behulp van de radiokoolstofmethode mogelijk om vast te stellen dat uracil en xanthine inderdaad werden gevormd voordat de meteoriet op aarde viel.

Nu hebben wetenschappers in Marchison en soortgelijke meteorieten (ze worden koolstofhoudende chondrieten genoemd) allerlei basen gevonden waaruit zowel DNA als RNA zijn opgebouwd: complexe suikers, waaronder ribose en deoxyribose, verschillende aminozuren, waaronder essentiële vetzuren. Bovendien zijn er aanwijzingen dat organische stoffen direct in de ruimte worden gevormd.

In 2016 werden met behulp van het Rosetta-apparaat van de European Space Agency sporen gevonden van het eenvoudigste aminozuur - glycine - en van fosfor, dat ook een belangrijk bestanddeel is voor het ontstaan van leven, in de staart van komeet Gerasimenko -Churyumov.

Maar dergelijke ontdekkingen suggereren eerder hoe het leven naar de aarde had kunnen komen. Of het kan overleven en zich lange tijd kan ontwikkelen buiten de terrestrische omstandigheden is nog onduidelijk. "Grote moleculen, complexe moleculen, die we op aarde zonder opties als organisch zouden classificeren, kunnen in de ruimte worden gesynthetiseerd zonder de deelname van levende wezens", zegt astronoom Dmitry Vibe. "We weten dat interstellaire organische materie in het zonnestelsel terecht is gekomen en de aarde. Maar toen gebeurde er iets anders met haar - de isotopensamenstelling en symmetrie veranderden. '

Sporen in de atmosfeer

Een andere veelbelovende manier om naar leven te zoeken, wordt geassocieerd met biosignaturen of biomarkers. Dit zijn stoffen waarvan de aanwezigheid in de atmosfeer of de bodem van de planeet zeker wijst op de aanwezigheid van leven. Er is bijvoorbeeld veel zuurstof in de atmosfeer van de aarde, die wordt gevormd als gevolg van fotosynthese met deelname van planten en groene algen. Het bevat ook veel methaan en koolstofdioxide, die worden geproduceerd door bacteriën en andere levende organismen in het proces van gasuitwisseling tijdens de ademhaling.

Maar het vinden van sporen van methaan of zuurstof in de atmosfeer (evenals water) is nog geen reden om champagne te openen. Methaan is bijvoorbeeld ook te vinden in de atmosfeer van sterachtige objecten - bruine dwergen.

En door het splitsen van waterdamp onder invloed van sterke ultraviolette straling kan zuurstof ontstaan. Dergelijke omstandigheden worden waargenomen op de exoplaneet GJ 1132b, waar de temperatuur 230 graden Celsius bereikt. Leven onder zulke omstandigheden is onmogelijk.

Om een gas als een biosignatuur te beschouwen, moet zijn biogene oorsprong worden bewezen, dat wil zeggen, het moet precies worden gevormd als gevolg van de activiteit van levende wezens. Een dergelijke oorsprong van gassen wordt bijvoorbeeld aangegeven door hun variabiliteit in de atmosfeer. Waarnemingen tonen aan dat het methaangehalte op aarde fluctueert met het seizoen (en de activiteit van levende wezens hangt af van het seizoen).

Als op een andere planeet methaan uit de atmosfeer verdwijnt, dan blijkt (en dit kan bijvoorbeeld gedurende een jaar worden vastgelegd), dat het betekent dat iemand het uitstoot.

Mars bleek weer een van de mogelijke bronnen van 'levend' methaan. De eerste tekenen ervan in de bodem werden onthuld door de apparaten van het Viking-programma, die in de jaren zeventig naar de planeet werden gestuurd - alleen met het doel om naar organisch materiaal te zoeken. De ontdekte moleculen van methaan in combinatie met chloor werden aanvankelijk als bewijsmateriaal beschouwd. Maar in 2010 herzien een aantal onderzoekers dit standpunt.

Ze ontdekten dat de perchloraten die we al kennen in de bodem van Mars, bij verhitting, het meeste organische materiaal vernietigen. En de monsters van de Vikingen werden verhit.

In de atmosfeer van Mars werden in 2003 voor het eerst sporen van methaan ontdekt. De vondst herleefde onmiddellijk de gesprekken over de bewoonbaarheid van Mars. Het is een feit dat elke significante hoeveelheid van dit gas in de atmosfeer niet lang zou duren, maar zou worden vernietigd door ultraviolette straling. En als methaan niet afbreekt, hebben wetenschappers geconcludeerd dat er een permanente bron van dit gas op de Rode Planeet is. En toch hadden de wetenschappers geen vast vertrouwen: de verkregen gegevens sloten niet uit dat het gevonden methaan dezelfde "vervuiling" was.

Maar waarnemingen van de Curiosity-rover in 2019 lieten een abnormale stijging van het methaangehalte zien. Bovendien bleek de concentratie ervan nu drie keer hoger te zijn dan het gasniveau dat in 2013 werd geregistreerd. En toen gebeurde er iets nog mysterieuzer: de concentratie van methaan zakte weer naar achtergrondwaarden.

Het methaanraadsel heeft nog steeds geen eenduidig antwoord. Volgens sommige versies kan de rover zich op de bodem van een krater bevinden, waarin zich een ondergrondse methaanbron bevindt, en het vrijkomen ervan wordt geassocieerd met de tektonische activiteit van de planeet.

Biologische handtekeningen kunnen echter nogal niet voor de hand liggend zijn. Zo ontdekte een team van de Universiteit van Cardiff in september 2020 sporen van fosfinegas op Venus, een speciale fosforverbinding die betrokken is bij het metabolisme van anaërobe bacteriën.

In 2019 toonden computersimulaties aan dat fosfine niet kan worden gevormd op planeten met een vaste kern, behalve als gevolg van de activiteit van levende organismen. En de hoeveelheid fosfine die op Venus werd gevonden, sprak in het voordeel van het feit dat dit geen fout of een toevallige onzuiverheid was.

Maar een aantal wetenschappers staat sceptisch tegenover de ontdekking. Astrobioloog en expert op het gebied van verminderde fosfortoestanden Matthew Pasek suggereerde dat er een exotisch proces is waarmee geen rekening is gehouden door computersimulaties. Hij was het die op Venus kon plaatsvinden. Pasek voegde eraan toe dat wetenschappers nog steeds niet zeker weten hoe het leven op aarde fosfine produceert en of het überhaupt door organismen wordt geproduceerd.

Begraven in steen

Een ander mogelijk teken van leven, opnieuw geassocieerd met Mars, is de aanwezigheid in monsters van de planeet van vreemde structuren die lijken op de overblijfselen van levende wezens. Deze omvatten de Mars-meteoriet ALH84001. Het vloog ongeveer 13.000 jaar geleden van Mars en werd in 1984 op Antarctica gevonden door geologen die op sneeuwscooter rond de Allan Hills (ALH staat voor Allan Hills) op Antarctica.

Deze meteoriet heeft twee kenmerken. Ten eerste is het een monster van rotsen uit het tijdperk van diezelfde "natte Mars", dat wil zeggen de tijd dat er water op zou kunnen zijn. De tweede - er werden vreemde structuren in gevonden, die doen denken aan gefossiliseerde biologische objecten. Bovendien bleken ze sporen van organisch materiaal te bevatten! Deze "gefossiliseerde bacteriën" hebben echter niets te maken met terrestrische micro-organismen.

Ze zijn te klein voor enig aards cellulair leven. Het is echter mogelijk dat dergelijke structuren verwijzen naar de voorlopers van het leven. In 1996 vonden David McKay van het Johnson Center for NASA en zijn collega's zogenaamde pseudomorfen in een meteoriet - ongebruikelijke kristallijne structuren die de vorm van (in dit geval) een biologisch lichaam nabootsen.

Kort na de aankondiging van 1996 voerde Timothy Swindle, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Arizona, een informeel onderzoek uit onder meer dan 100 wetenschappers om erachter te komen hoe de wetenschappelijke gemeenschap over de beweringen dacht.

Veel wetenschappers waren sceptisch over de beweringen van de McKay-groep. In het bijzonder hebben een aantal onderzoekers betoogd dat deze insluitsels kunnen ontstaan als gevolg van vulkanische processen. Een ander bezwaar had betrekking op de zeer kleine (nanometer)afmetingen van de constructies. Aanhangers maakten hier echter bezwaar tegen dat nanobacteriën op aarde werden gevonden. Er is een werk dat de fundamentele ononderscheidbaarheid van moderne nanobacteriën laat zien van objecten uit ALH84001.

Het debat loopt vast om dezelfde reden als in het geval van Venusiaans fosfine: we hebben nog steeds weinig idee hoe dergelijke structuren worden gevormd. Niemand kan garanderen dat de gelijkenis geen toeval is. Bovendien zijn er kristallen op aarde, zoals keriet, die moeilijk te onderscheiden zijn van de "gefossiliseerde" overblijfselen van zelfs gewone microben (om nog maar te zwijgen van slecht bestudeerde nanobacteriën).

De zoektocht naar buitenaards leven is als rennen achter je eigen schaduw aan. Het lijkt erop dat het antwoord voor ons ligt, we moeten gewoon dichterbij komen. Maar hij gaat weg en krijgt nieuwe complexiteiten en reserveringen. Dit is hoe de wetenschap werkt - door "false positives" te elimineren. Wat als de spectrale analyse mislukt? Wat als methaan op Mars slechts een lokale anomalie is? Wat als de structuren die op bacteriën lijken, gewoon een spel van de natuur zijn? Alle twijfel kan niet volledig worden uitgesloten.

Het is heel goed mogelijk dat er voortdurend uitbarstingen van leven in het heelal verschijnen - hier en daar. En wij, met onze telescopen en spectrometers, zijn altijd te laat voor een date. Of omgekeerd, we komen te vroeg aan. Maar als je gelooft in het Copernicaanse principe, dat zegt dat het heelal als geheel homogeen is en aardse processen ergens anders moeten plaatsvinden, zullen we elkaar vroeg of laat kruisen. Het is een kwestie van tijd en technologie.